高速公路工程测量中GPS的应用研究

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摘 要：本文基于笔者多年从事高速公路测量的相关工作经验，以基于gps的沉降变形监测技术为研究对象，探讨了其在某高速公路沉降变形监测中的应用思路，全文是笔者长期实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：GPS 沉降 变形监测 公路

中图分类号：TB22 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（a）-0084-02

1 工程概述

某高速公路全线采用双向四车道全封闭高速公路标准建设，设计行车时速100～120 km/h。本人选取其中10 km作为GPS沉降变形监测的工程项目，所处地形为平原和丘陵连接地带，设计路基宽度26 m。路线设计为四车道该段有11个各种系统的平面控制点，经过实地寻找，找出了5个。

在已找出的5个控制点中，国家测绘局系统一等点2个，二等点1个，城市测量系统点2个，这些平面控制点分属不同测量系统，且等级不同。

2010年9月，本人对其中10 km路段进行了测定，采用了GPS技术进行高程测量，并与用二等水准测量的高程数据进行比较和分析，在测量过程中有意识对GPS的高程进行了检验。

2 工程实施过程

（1）观测使用AshtechZ-X双频GPS接收机5台，二等水准采用NAZ+GPM3型水准仪。并对两种方法测量的成果进行分析，同时用全站仪检验了GPS点的坐标。

（2）GPS网采用静态模式观测，网形采用边连式。观测时最少卫星数5颗，存储的限差：水平为±5 mm，垂直为±10 mm；水准测量参照二等水准的精度指标。

（3）在测区内l0 km范围内有GPS基准点7个，布设14个变形监测点，每个点监测1～2 h。

3 精度分析

3.1 测区GPS沉降变形监测网的精度分析

下面结合某高速公路的其中10 km路段的变形监测网，对GPS基准网和监测网的精度进行分析，该路段沉降变形监测网，由7个基准点（JZ03、JZ06、JZ08、JZ09、JZ10、JZ18和JZ21）组成了GPS基准网；由14个监测点（BJ01、BJ02、BJ04、BJ05、BJ07、BJ11、BJ12、BJ13、BJ14、BJ15、BJ16、BJ17、BJ19、BJ20）组成了GPS监测网。通过长时间的精密水准观测和基准分析，认定JGO3点是稳定的，把JZO3作为基准起算点，解算整个GPS网，GPS沉降变形监测网采用边连接形式布设（见图1）。

表1给出了GPS基准网基线解算的边长中误差。从表1中可以看出，GPS基准网的基线解算精度达到了毫米级。最大的基线边长中误差为5.7 mm，最小的基线边长中误差为0.l mm。GPS基准网是在WGS-84坐标系下进行整体平差。平差时，固定具有精密WGS-84坐标的JG03点，以提高整个基准网的位置精度。平差后获得其它基准点在WGS-84坐标系下的空间直角坐标、大地坐标和高斯平面直角坐标及相关精度信息。监测网的平差也在WGS-84坐标系下进行。经过平差后获得监测点在WGS-84坐标系下的空间直角坐标、大地坐标及相关的精度信息；然后固定JGO3点和方向，在WGS-84坐标系的高斯平面上进行平差。平差后获得变形监测点的高斯平面直角坐标、监测点间的平面边长及其相关信息。

从GPS基准点和变形监测点的中误差统计可以发现（见表2），高程分量的精度虽然不如南北和东西方向分量的精度，但也没有超过6 mm的，除了个别点因为周围观测条件的影响（特别是多路径效应的影响）以及城区观测环境的因素外，大多数都在4 mm左右，是可以满足沉降变形监测的需要。当然，如果在观测过程中，采取更多的措施，比如，采集数据前，精确检验每个天线的相位中心位置，特别是垂直方向的差值；观测时段增加到10 h以上，同时拥有更多的同步观测站点等，精度会更高，也是值得进一步考虑的。

3.2 沉降监测及与精密水准的一致性分析

通过表3比较GPS与全站仪两种方法的测量结果可以看出：在两种方法下测得的同一坐标之差的最大值分别为：

Xmax=4.0 mm，Ymax=5.0 mm。

因此，GPS测量成果是精确可靠的，从下面定位精度一致性检验结果来看，GPS技术测量的点位精度可达毫米级，与全站仪测定结果符合得较好，可以较好地满足公路变形监测的精度要求。

使用GPS测出变形监测点的高程，然后将GPS高程与水准高程进行比较，其比较结果具有很高的参考价值，表4是工程中的一部分数据。

可以看出，GPS高程与水准高程最大差值不超过5 mm。GPS高程能满足公路变形监测的精度要求。GPS的数据处理结果表明，在水平方向上的监测精度能达到毫米级，在竖直方向上的精也能达到毫米级。完全符合公路沉降变形监测的精度要求。下面表格中的数据是从工程实例中抽取具有代表性的公路GPS沉降变形监测点，并以此数据为例，对数据进行分析。

表5中仅列出了五个观测周期的数据进行分析，从中可以看出，不同周期的数据有所变化，相邻观测周期之间的高程变化不大，到了监测后期变化甚小，趋于平稳状态。也就是说，在公路刚刚进入运营阶段，是最容易发生沉降变形的，因此，刚刚投入使用的公路，前期的维护和保养是相当关键的。

在此基础上，笔者选择工程中的部分变形监测点，绘制在公路使用过程中的高程变化趋势图。由于选取的变形监测点是随机的，因此，该图形可以代表该高速公路的其中10 km路段的整体变化情况，可以清楚的看到，在公路使用前期，监测点随时间呈下沉趋势，而且下沉比较明显。到了沉降监测后期，由于前期在沉降变形过程中，对公路进行了科学的维护和保养，路面结构稳定，强度较高，在后期的运营过程中，高程变化很小，相邻观测周期之间的高差趋于零。也就是说，通过工程实践，可以认定该高速公路是稳定的。

参考文献

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[2] 王继卫，徐学辉，刘茂华.GPS在变形观测中的应用[J].江西测绘，2006（4）.

[3] 付宏平.GPS技术在山体滑坡变形监测中的应用[J].山西建筑，2008（24）.

[4] 马艳艳.全球定位系统（GPS）技术在水利工程中的应用[J].山东水利，2009（Z2）.